La structure interne entretoise et entrefer d'une mousse métallique réduit son poids tout en conservant sa résistance, mais rend impossible la réparation avec les méthodes traditionnelles, ce qui ferait fondre cette structure. Dans la nouvelle technique, l'électrochimie ajoute du nouveau métal juste aux entretoises cassées, les reconnecter et « réparer » les dommages. Crédit :Groupe de recherche Pikul
Pour 6, 000 ans, les humains fabriquent des objets en métal parce qu'il est solide et résistant; il faut beaucoup d'énergie pour l'endommager. Le revers de cette propriété est qu'il faut beaucoup d'énergie pour réparer ces dommages. Typiquement, le processus de réparation consiste à faire fondre le métal avec des torches de soudage pouvant atteindre 6, 300 °F.
Maintenant, pour la première fois, Penn Engineers a développé un moyen de réparer le métal à température ambiante. Ils appellent leur technique "guérison" en raison de sa similitude avec la façon dont les os guérissent, le recrutement de matières premières et d'énergie à partir d'une source externe.
L'étude a été menée par James Pikul, professeur adjoint au Département de génie mécanique et de mécanique appliquée et Zakaria Hsain, un étudiant diplômé dans son laboratoire.
Il a été publié dans la revue Matériaux fonctionnels avancés .
Au-delà des coûts énergétiques associés au processus actuel de réparation du métal en le fondant sous une forme plus souple, il existe certains composants métalliques pour lesquels une telle stratégie de réparation n'est même pas une option. Par exemple, la fusion élimine la structure interne complexe des mousses métalliques, qui sont des métaux fabriqués avec des poches d'air internes. Cet agencement d'entretoises et d'espaces réduit le poids du matériau tout en conservant sa résistance globale.
Tout en explorant les moyens de réparer ces métaux poreux, Pikul et Hsain ont examiné les matériaux « d'auto-guérison » existants, qui sont généralement fabriqués à partir de polymères et de plastiques relativement mous.
« La façon dont les gens pratiquent l'auto-guérison aujourd'hui est d'imprégner ces polymères de différents produits chimiques qui, lorsque ce polymère est rompu, sont libérés et se mélangent comme un époxy, recoller le matériau, " dit Pikul. " Cette approche fonctionne pour les polymères car les polymères peuvent s'écouler et sont relativement faciles à remodeler à température ambiante, mais cela signifie qu'ils ont une force limitée en conséquence."
Pour cicatriser les mousses métalliques, qui ont généralement de meilleures propriétés structurelles que les polymères, Pikul et Hsain ont commencé par trouver un moyen pour eux de "sentir" où ils avaient été endommagés. Plutôt que d'encapsuler des produits chimiques supplémentaires utilisés dans la réparation, les chercheurs ont réalisé qu'ils pouvaient utiliser la rupture d'une couche de polymère comme une sorte de signal chimique.
Pikul et Hsain ont utilisé un dépôt chimique en phase vapeur pour enduire uniformément chaque entretoise de la mousse de nickel d'une couche de parylène D, un polymère chimiquement inerte et extensible. Parce que la tolérance aux dommages de ce matériau est légèrement inférieure à celle du nickel, il se casse d'abord lorsque l'échantillon est endommagé, révélant le métal en dessous. Les chercheurs pouvaient ensuite utiliser la galvanoplastie pour construire de nouvelles entretoises en nickel uniquement sur le nickel exposé là où elles étaient nécessaires.
Les chercheurs ont placé leurs échantillons fracturés dans un bain de galvanoplastie. Les ions nickel sont transportés à travers la structure ouverte à l'intérieur de la mousse métallique, mais seulement « coller » là où la couche de polymère a été rompue. Crédit :Université de Pennsylvanie
La galvanoplastie est une énergie relativement faible, technique à température ambiante, le plus souvent utilisé pour ajouter une couche de chrome aux pièces de voiture ou d'or aux bijoux. Dans le premier exemple, une jante de pneu en acier est placée dans un bain d'électrolyte liquide qui contient des ions chrome. Lorsqu'une tension est appliquée, les ions proches de l'acier réagissent et forment un revêtement métallique de chrome uniforme sur l'acier.
"Contrairement aux polymères, les métaux ne coulent pas à température ambiante, " dit Pikul. " Ce qui est bien avec l'électrochimie, c'est que les ions métalliques peuvent facilement se déplacer à travers l'électrolyte liquide. Nous utilisons ensuite l'électrochimie pour convertir les ions en métal solide. Le polymère agit comme un masque de lithographie et ne permet aux ions de se transformer en métal que là où la mousse métallique a été brisée."
Pikul et Hsain ont guéri trois types de dommages dans leurs expériences sur des échantillons centimétriques de leur mousse de nickel revêtue de polymère :des échantillons avec des fissures, échantillons qui avaient été séparés jusqu'à ce qu'ils soient reliés par quelques entretoises, et des échantillons qui avaient été scindés en deux.
La réparation des dommages a pris environ quatre heures, et parce que la galvanoplastie agit sur tout le nickel exposé à la fois, le temps qu'il faut pour guérir les dommages est indépendant de la taille de l'échantillon.
Bien que cette approche à température ambiante ne soit pas vraiment « auto-guérison » car elle nécessite une source d'alimentation externe et des matières premières, Pikul voit que cela correspond à la façon dont l'auto-guérison se produit dans le corps.
"Je pense que la plupart des gens diraient que l'os est un matériau d'auto-guérison, " Pikul dit, "et je pense, en pratique, notre matériau est très similaire à l'os. L'os n'est pas non plus entièrement autonome; il a besoin d'une source d'énergie et de nutriments pour guérir, qui viennent tous les deux de manger de la nourriture. Dans notre système, ceux-ci fonctionnent de manière similaire à la tension et au bain de galvanoplastie."
Aussi comme l'os, les zones réparées sont en fait plus résistantes qu'elles ne l'étaient avant d'être endommagées, car du nickel supplémentaire est cultivé sur le site de guérison. Le nouveau nickel, cependant, réduit l'efficacité de guérison lors de l'utilisation répétée de cette technique. Parce que les zones cicatrisées n'ont plus de revêtement polymère, le nickel continuerait à s'y accumuler si un autre morceau de l'échantillon devait être cicatrisé.
Pikul espère que d'autres recherches sur cette technique augmenteront les similitudes avec la guérison biologique.
"Le fluide électrolytique qui permet la cicatrisation peut être intégré dans les mousses métalliques pour qu'il ressemble au sang dans notre corps, " dit Pikul. " Une fois la mousse fracturée, l'électrolyte va entourer la zone fracturée et cicatriser le métal après l'application d'une tension externe, qui peut provenir d'une batterie."
La mousse pourrait être cicatrisée sans avoir à retirer et à immerger la partie endommagée, particulièrement utile si la partie en question est une porte de voiture, Bras robotique, ou élément de station spatiale.
